Adaptive Optik Moderne Technik für scharfe Bilder von der Sonne

1. Adaptive OptikModerne Technik für scharfe Bilder von der Sonne Oskar von der Lühe Kiepenheuer-Institut Lehrerfortbildung, 8. 10. 2011

3. Winkelauflösung • Die Winkelauflösung eines Teleskops wird durch Beugung an der Eintrittsöffnung begrenzt • Die Halbwertsbreite des Bildes einer Punktquelle (Stern) ist: • Je größer die Teleskopöffnung und je kleiner die Wellenlänge, desto feinere Strukturen können aufgelöst werden D

4. Beobachtungen vom Boden und aus dem Weltraum • Weltraum-Observatorien • Haben Zugang zum gesamten e. m. Spektrum • Beobachten ohne Störung durch die Erdatmosphäre • Erzeugen konsistent hohe Datenqualität mit einem begrenzten Satz von Experimenten • Bodengebundene Observatorien • Liefern höchste Winkelauflösung in begrenzten Spektralbereichen, je nach seeing • Liefern sehr hohe Datenraten • Erlauben experimentelle Flexibilität Hinode, D = 0.5 m ATST, D = 4 m Future High Resolution Facilities

5. Abbildung durch eine turbulente Erdatmosphäre • Temperaturfluktuationen erzeugen Brechungsindexfluktuationen • Durchlaufende Lichtwellen werden deformiert – Aberrationen • Das Bild astronomischer Quellen wird verschmiert • Bewegung der Schlieren durch Wind bewirkt rasche Veränderungen – Zeitskalen 10 ms

6. Astronomisches Seeing S. Hippler, M. Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004

7. Wellenfront-Deformationen William Herschel Telescope, ING Gregor-Teleskop, KIS

8. Punktverbreiterungsfunktion (PSF) Ori Solar granulation 4.5m WHT, La Palma 2 arcsecfield Visible light 0.7m VTT, Tenerife Real time 15 sec (100 frames) 60 arcsec, resolution 0.06 as

9. Lange Belichtungszeiten Mittelwert von 100 Bildern („Langzeitbelichtung“) Bestes Einzelbild

10. Zusammenfassung Seeing • Die Fortpflanzung von Lichtwellen durch ein Zufallsmedium stört die Abbildung in einem optischen System • Die dynamische Änderung des Mediums erzeugt eine neue, unkorrelierte Realisierung eines zufällig gestörten Bildes bei jeder neuen Belichtung • Bei langen Belichtungen ist alle Information über kleinräumige Strukturen verschwunden • Wie kann man lange belichten UND die Information über kleinräumige Strukturen erhalten?

11. Adaptive Optik Archimedes AD -215

12. Prinzip der Adaptiven Optik

13. Modale Korrektur: Zernike-Funktionen

14. Statistische Eigenschaften des Seeings Die Varianz der Störung nimmt mit zunehmender Modenordnung ab

15. Schritt 1: Messen der Wellenfrontstörungen • Hartmann-Shack – Wellenfrontsensor: • Zerlegung der Eintrittsöffnung in Unteraperturen • Bestimmung von Kippwinkel und –richtung der Wellenfront durch Bildversatz • Abbildung der Versatzmessungen auf Deformationsmoden

16. Beispiel: HS-WFS der Solaren Adaptiven Optik Bild eines Shack-Hartmann - Sensors mit 36 Unteraperturen eines ausgedehnten Objektes (Sonne). Links: Auslegung des Linsenarrays in hexagonaler Geometrie. Rechts: Bild auf dem Detektor. Man sieht einen Ausschnitt der Sonnenoberfläche mit einem kleinen Sonnenfleck.

17. Beispiel: HS-WFS der Solaren Adaptiven Optik • Messung der Bewegung von Sonnengranulation in einem Hartmann-Shack Wellenfrontsensor am VTT, Teneriffa

18. Schritt 2:Korrektur der Wellenfront S. Hippler, M.Kasper, Sterne und Weltraum, Okt. 2004

22. Störgröße (externe Störungen, Nulldeformation des Korrektors) Messort Optische Regel-strecke 1 Optische Regel-strecke 2 korrigiertes Bild Stellgröße Wellenfront-Sensor Korrektor Rückführgröße - Regler Regelglied Führgröße Schritt 3: Regelkreis

23. Praktische Astronomie V

25. Kompensation eines Sterns Linear Logarithmisch

29. Focus Tip tilt DM KAOS am VTT, TeneriffaKiepenheuer-Institut Adaptive OpticsSystem Wavefront Sensor High Resolution Solar Observations with GREGOR

30. Kompensation eines Sonnenflecks

31. Kompensation eines Sonnenflecks

32. Solare Adaptive Optik Die Himmels-überdeckung ist 100% High Resolution Today

33. Feldabhängige PSF

34. AbbildungdurcheineausgedehnteAtmosphäre MCAO for solar observations

35. WFS 2 DM 2 MCAO science focus MCAO add-on KAOS mit MCAO-Erweiterung (MultiCAOS) conventional AO from telescope Control Computer DM 1 pupil reimaging optics WFS 1 intermediate foci Regular science focus

36. Solare Multikonjugierte Adaptive Optik Kontrast der Langzeitaufnahme no AO: 3.8% CAO: 4.4% MCAO: 5.6% Generalized Fried parameter

37. Multikonjugierte Adaptive Optik (low order) am VTT

38. Zusammenfassung • Adaptive Optik verbessert die Abbildung in bodengebundenen Teleskopen erheblich, für Sonnenteleskope sogar bei kurzen Wellenlängen • Solare MCAO hat das Potential, ein Gesichtsfeld von einer Bogenminute zu verbessern • Eine Nachbereitung der Beobachtungen ist nötig, da die Korrektur mit AO/MCAO nie perfekt ist